應(yīng)用虛擬實驗工具開展主題教學(xué)破除學(xué)生認知障礙

鄒雪連　徐京漢

摘要： 為解決傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)不夠精確、直觀和高效的問題，滿足學(xué)生體驗構(gòu)建概念或原理過程的需求，教師將虛擬實驗工具與傳統(tǒng)實驗融合開展主題教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生“從宏觀到微觀，從定性到定量，從靜態(tài)到動態(tài)多角度、多層次實驗與探討”，幫助學(xué)生有效建構(gòu)核心概念。實踐證明，科學(xué)應(yīng)用虛擬實驗工具開展“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”等主題教學(xué)，可以精確表征宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)間的關(guān)系，助力學(xué)生體驗科學(xué)探究過程，實現(xiàn)實驗的精確定量分析，破除認知障礙，提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗工具；科學(xué)探究；化學(xué)實驗教學(xué)；離子反應(yīng)與平衡

教育部于2019年印發(fā)了《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，倡導(dǎo)傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機融合，指出對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段呈現(xiàn)。在國家教育政策指引下，在科技進步的驅(qū)動下，虛擬實驗工具的開發(fā)與應(yīng)用日新月異?；瘜W(xué)實驗教學(xué)相關(guān)軟件可以支撐初高中經(jīng)典實驗，一些軟件載有熱力學(xué)引擎、導(dǎo)管引擎、粒子引擎、速率系統(tǒng)、化學(xué)平衡系統(tǒng)，支持學(xué)生直觀地觀察感受微觀粒子的運動與變化。在信息技術(shù)支持下一些定量實驗也可以精確、高效地開展。學(xué)生自主設(shè)計并高效率實施實驗探究成為可能。筆者以“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”教學(xué)為例，嘗試將虛擬實驗工具融入課堂，拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸教學(xué)時間和空間，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”主題教學(xué)需要解決的問題

“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”是《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》中的一個知識模塊。在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)從宏觀到微觀、從定性到定量、從靜態(tài)到動態(tài)進行多角度多層次實驗與探討，使學(xué)生深入理解化學(xué)反應(yīng)的過程和本質(zhì)、更有效地預(yù)測和控制化學(xué)反應(yīng)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求教師開展“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”主題教學(xué)，通過對電離平衡等平衡體系存在的證明及平衡移動的分析，發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀；關(guān)注水溶液體系的特點，結(jié)合實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導(dǎo)學(xué)生形成認識水溶液中離子反應(yīng)與平衡的基本思路。

筆者發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)模式開展“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”主題教學(xué)存在以下問題。

一是在關(guān)聯(lián)宏觀現(xiàn)象與微觀原理的分析過程中，難以實現(xiàn)微觀表征精確可視化。通過該主題內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生“從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實際問題”的能力應(yīng)得以提升。但學(xué)生僅憑想象難以把握粒子運動與變化的本質(zhì)，不能準(zhǔn)確預(yù)測粒子行為，無法對傳統(tǒng)實驗中觀察到的宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生正確關(guān)聯(lián)，不能正確分析平衡的原理本質(zhì)。

二是難以精確控制實驗變量，難以精準(zhǔn)有效收集數(shù)據(jù)等證據(jù)素材。在主題實驗探究活動中，學(xué)生需要針對有探究價值的化學(xué)問題，用動態(tài)平衡的觀點考察化學(xué)反應(yīng)，預(yù)測在一定條件下某種物質(zhì)可能發(fā)生的化學(xué)變化，并設(shè)計實驗方案，但目前大多中學(xué)實驗室條件有限，難以支持學(xué)生獲得有效的實驗現(xiàn)象與證據(jù)。學(xué)生無法基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設(shè)，不能對假設(shè)預(yù)測、實驗方案、實驗結(jié)論進行完整論證。學(xué)生日益發(fā)展的設(shè)計創(chuàng)新實驗方案的能力與難以提供相應(yīng)支持的現(xiàn)有實驗條件之間的矛盾逐漸凸顯。

三是有限的課時難以支撐所有經(jīng)典實驗都遵循科學(xué)探究的路徑去完成。“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”主題包含較多核心概念和豐富的理論知識，教師只有將理論知識和實驗探究結(jié)合起來，通過理論知識的教學(xué)促進學(xué)生實驗探究，才能提高學(xué)生的實驗和應(yīng)用能力，教學(xué)質(zhì)量也會隨之提高。高二化學(xué)周課時一般為四節(jié)，如何在有限的課時內(nèi)完成理論知識的教學(xué)，并深入理解，練習(xí)、實踐，是教師必須面對并解決的問題。

以上種種問題根源在于傳統(tǒng)化學(xué)學(xué)科實驗教學(xué)不夠精確、直觀和高效，不能滿足學(xué)生經(jīng)歷概念或原理的建構(gòu)過程的需要。這些問題是否可以借助虛擬實驗工具解決？課堂教學(xué)中融入虛擬實驗工具，是否可以幫助學(xué)生突破教學(xué)難點，建構(gòu)核心概念，發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)？

二、運用虛擬實驗工具，突破教學(xué)難點，破除學(xué)生認知障礙

在“水溶液中離子反應(yīng)與平衡”教學(xué)中，筆者應(yīng)用虛擬實驗工具開展了以下探索。

（一）精確表征宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)間的關(guān)系

“電離平衡”教學(xué)涉及“電解質(zhì)在水溶液中的行為”和“電離平衡”兩個核心概念。筆者將虛擬實驗工具融入教學(xué)，對教學(xué)環(huán)節(jié)做了新的設(shè)計（如圖1）。

教師開展實驗1、2、3的教學(xué)，旨在引導(dǎo)學(xué)生分析微觀粒子對反應(yīng)速率的影響，建立并發(fā)展學(xué)生的微粒觀。教師提出問題：為什么相同濃度的不同種一元酸，氫離子濃度不同？為了讓學(xué)生認識強、弱電解質(zhì)在水溶液中的電離程度不同，教師設(shè)計實驗用以測量濃度均為0.1 mol/L鹽酸和醋酸溶液pH，并用電導(dǎo)率測定儀檢測0.1 mol/L鹽酸、醋酸和蒸餾水的導(dǎo)電性。教師通過上述實驗引領(lǐng)學(xué)生通過現(xiàn)象從宏觀層面建立強、弱電解質(zhì)的概念。學(xué)生如要掌握化學(xué)學(xué)科的思想和方法，還需要從微觀層面理解強、弱電解質(zhì)在水溶液中的行為差異。為此，教師設(shè)計了虛擬實驗4：學(xué)生在平臺上點開虛擬實驗工具，點擊“弱電解質(zhì)的電離平衡”虛擬實驗下的播放按鈕，屏幕上出現(xiàn)氫氟酸、鹽酸在水中電離的微觀動畫演示。通過對比觀察兩種酸的不同電離行為，學(xué)生更直觀地感受到強、弱電解質(zhì)的電離程度差異。相較于用文字敘述，教師以虛擬實驗呈現(xiàn)微觀物質(zhì)在特定條件下的性質(zhì)和變化的方式教學(xué)更能加深學(xué)生印象（如圖2），有助于學(xué)生更直觀地認識強、弱電解質(zhì)電離程度不同，從而更好地發(fā)展宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)。

在探究“酸根離子可以結(jié)合氫離子變成酸嗎”的環(huán)節(jié)，在學(xué)生對電解質(zhì)在水溶液中的行為有了一定認識后，教師提出問題：酸根可以結(jié)合氫離子生成酸嗎？對于酸的電離過程能否逆向進行的問題，學(xué)生思考與討論后設(shè)計了實驗方案：向鹽酸、乙酸中分別加入氯化鈉、醋酸銨固體，測定溶液pH是否變化。學(xué)生通過實驗，得出結(jié)論：增大醋酸根離子濃度，醋酸的電離逆向移動，而增大氯離子濃度，鹽酸的電離不能逆向移動。結(jié)合之前的化學(xué)平衡知識，學(xué)生初步推測醋酸中的平衡狀態(tài)。如何幫助學(xué)生驗證其推測？能否尋找更多證據(jù)證明平衡狀態(tài)的存在？虛擬實驗工具可以幫助學(xué)生實施自己的探究方案，助力學(xué)生證實或證偽假設(shè)，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。教師引導(dǎo)學(xué)生運用虛擬實驗工具中“醋酸的電離平衡”實驗，分別點擊相應(yīng)按鈕加入氫氧化鈉固體、加入醋酸鈉固體、加熱、加水，施加影響，讓學(xué)生觀察各種粒子的濃度變化。平臺界面左側(cè)的數(shù)據(jù)欄實時顯示醋酸電離度、溶液pH和醋酸根離子濃度數(shù)據(jù)。學(xué)生應(yīng)用虛擬實驗工具實現(xiàn)了實驗的微觀演示與數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)呈現(xiàn)，收集了充分的證據(jù)，直觀有效地證明了電離平衡狀態(tài)的存在，發(fā)展了平衡觀和微粒觀。對于電離平衡移動的實驗，學(xué)生采用先預(yù)測再用虛擬實驗工具驗證的策略進行操作、分析。借助虛擬實驗工具，學(xué)生有效構(gòu)建了“電解質(zhì)在水溶液中的行為”和“電離平衡”兩個核心概念，高效完成了本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（二）助力學(xué)生體驗科學(xué)探究過程，發(fā)展科學(xué)探究能力

“電離平衡常數(shù)”其中一個教學(xué)難點是：如何在外界條件變化的情況下利用電離常數(shù)判斷弱電解質(zhì)平衡的移動方向。在教學(xué)過程中，教師讓學(xué)生借助虛擬實驗工具，經(jīng)歷了較完整的科學(xué)探究過程，突破了難點（如圖3），同時發(fā)展了科學(xué)探究能力。

學(xué)生利用電離平衡常數(shù)知識，從理論上計算外界條件改變后的濃度商，通過比較濃度商與電離平衡常數(shù)的相對大小，預(yù)測平衡移動方向及體系中各粒子濃度變化趨勢，提出并設(shè)計探究方案，登錄平臺使用虛擬實驗工具，點開“醋酸的電離平衡影響因素”，通過鼠標(biāo)操作連接pH計、溶液導(dǎo)電裝置，以獲得更豐富的實驗現(xiàn)象。學(xué)生使用虛擬實驗工具改變外界條件，點擊“加水稀釋”后，從微觀動畫圖像上看到，更多的醋酸分子發(fā)生電離，但體系中離子濃度是減小的，事先連接的導(dǎo)電裝置中電流減小，燈泡變暗。學(xué)生首先通過界面左側(cè)的數(shù)據(jù)欄，獲得醋酸電離度、溶液pH、醋酸根離子濃度等實時數(shù)據(jù)，然后根據(jù)虛擬實驗工具獲取的豐富實驗事實與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，對之前的預(yù)測進行檢驗與評價，最后通過組內(nèi)、組間分析交流，得出實驗結(jié)論。在本節(jié)課的教學(xué)難點突破過程中，教師借助虛擬實驗工具將理論推導(dǎo)可視化（如圖4），發(fā)展了學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀；利用虛擬實驗的實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導(dǎo)學(xué)生明確認識水溶液中離子反應(yīng)與平衡的基本思路。

（三）實現(xiàn)實驗的精確定量分析

要掌握酸堿中和滴定這種重要的定量分析方法（如圖5），學(xué)生需要理解中和滴定原理，完成對酸堿中和反應(yīng)過程中pH變化特點進行探究（如圖6）。此處難點是如何在0.1000 mol/L NaOH溶液滴定20.00 mL 0.1000 mol/L 鹽酸過程中選擇酸堿指示劑。

為突破難點，教師選擇了傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗相結(jié)合的方式開展實驗教學(xué)。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生首先做定性實驗，檢驗酚酞、石蕊、甲基橙三種指示劑在酸堿反應(yīng)過程中的顏色變化情況，初步將指示劑范圍縮小到酚酞與甲基橙，然后打開虛擬實驗工具，選擇“強酸與強堿的中和滴定及其應(yīng)用”實驗，用滑動條工具選擇相應(yīng)濃度的鹽酸和氫氧化鈉溶液，搭建酸堿中和滴定裝置，選擇接入pH計，開始中和滴定，最后借助虛擬實驗工具實時分析處理數(shù)據(jù)，繪制滴定曲線。結(jié)合滴定過程、滴定曲線與有關(guān)精確滴定數(shù)據(jù)，學(xué)生知曉應(yīng)按照滴定突躍范圍選擇指示劑，同時，基于精確的滴定數(shù)據(jù)分析，理解了為什么在酸堿中和滴定接近終點時只滴加半滴溶液。從定性分析到定量分析，在虛擬實驗工具輔助下，學(xué)生直觀高效地學(xué)習(xí)了滴定原理，掌握了滴定曲線的繪制方法，加深了對酸堿中和滴定的認識。

三、總結(jié)

虛擬實驗技術(shù)與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)深度融合，已成常態(tài)。教師在需要精確控制變量的實驗中運用虛擬實驗工具教學(xué)，可以節(jié)約時間，提高效率，如化學(xué)反應(yīng)速率測定實驗等。教師開展虛擬實驗教學(xué)，延伸了實驗教學(xué)的時間和空間，支持學(xué)生在課下完成“設(shè)計制備、收集氯氣的實驗”等經(jīng)典實驗的復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)任務(wù)；在化學(xué)教學(xué)中，教師適當(dāng)使用虛擬實驗工具直觀顯示能量轉(zhuǎn)化、電子轉(zhuǎn)移，有利于學(xué)生清晰認識研究對象的本質(zhì)、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，構(gòu)建認知模型，形成解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。虛擬實驗工具的應(yīng)用豐富了學(xué)生的實驗體驗，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力，為更好地開展化學(xué)教學(xué)創(chuàng)造了條件。

（教學(xué)案例由北京市第五十五中學(xué)教師梅芳、張靜、邢苗苗提供。）

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2021年重點課題“信息化教學(xué)環(huán)境下基于虛擬實驗的化學(xué)學(xué)科工具對學(xué)生科學(xué)探究能力提升的研究”（課題編號：RJA0121011）的研究成果。

（作者系北京市第五十五中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志